钛铝合金熔模铸造技术

TiAl基金属间化合物熔模精密铸造的研究 摘要： T iA1基金属间化合物作为一种新型轻质高温结构材料，在航空航天和

汽车等领域具有广阔的应用前景。熔模精密铸造是当前普遍采用的制备T iA l基金属间化合物的方法。主要介绍了熔模精密铸造T iA l基合金的铸件以及型壳用粘结剂及耐火材料的发展现状，T iA l合金的熔炼技术及最新研究进展，并对T iA l基金属间化合物熔模精密铸造技术的不足进行了分析并提出了展望。 关键词： TiAl；金属间化合物；熔模铸造

1前言 随着现代工业的发展，低密度高强度的材料越来越受到人们的青睐，一般的Ti合金在强度和抗氧化性能上已无法满足要求。TiAl基金属间化合物(也称TiAl合金)是一种新型轻质的高温结构材料，密度不到镍基合金的50%，兼有金属和陶瓷的性能。它们不仅具有轻质、高比强、高比刚、耐蚀、耐磨、耐高温以及优异的抗氧化性等优点，而且具有优异的常温和高温力学性能，使用温度可达到700~1 000℃。这使其倍受研究工作者的重视，成为航空航天及汽车发动机用耐热结构件的极具竞争力的材料，具有广阔的应用前景。 目前，T iAl基金属间化合物大部分采用铸锭冶金技术(如挤压、锻造、轧制、板材成型)、粉末冶金技术(包括模压和挤压烧结)和熔模精密铸造等成形方法。由于TiAl基金属间化合物室温塑性低、成形性差，所以，采用熔模精密铸造技术是制作TiAl基金属间化合物构件最可行的方法之一，与其他方法相比，熔模精密铸造可以一次铸成形状复杂、薄壁的零件，并且铸件具有高的尺寸精度和低的表面粗糙度[1]。可显著提高原材料的利用率（可达75%~90%），特别是1970年代末以来，热等静压技术（HIP）广泛应用于钛合金铸件，使得某些铸造缺陷得以消除，钛合金铸件的力学性能及其稳定性得到了明显改善，促使钛合金铸件在航空航天工业中取得了广泛的应用。 本文介绍了熔模精密铸造T iA1基金属间化合物合金及铸件的最新进展，型壳用粘结剂及耐火材料的发展现状，T iA1基金属间化合物合金的熔炼技术，并对TiAl基金属间化合物熔模精密铸造技术提出了今后的展望。 2熔模铸造T iA l基合金的研究进展 2.1 T iA l基金属间化合物的发展现状 TiAl基金属间化合物是当今金属间化合物研究领域的最热点。在TiAl基合金的应用研究方面，美、日和西欧等发达国家都做了大量的研究工作。美国Pratt hitney Aircraft实验室、GE公司、Howmet公司、德国GK SS研究所、汉堡大学、亚琛工业大学、英国伯明翰大学、欧洲ABB公司、奥地利Plansee公司、日本HII公司、京都大学、日本东北大学和川崎重工业株式会社等多家单位开展了TiAl基金属间化合物的研究，并成功地使其得到应用[2]。

目前工程用TiAl基金属间化合物已形成两个不同使用温度的级别，高TiA1基金属间化合物(高NbTiAl合金)和普通TiAl基金属间化合物，基础合金成分主要差别是在Nb含量上。高Nb合金由于具有良好的高温强度和抗氧化能力，较普通TiAl基金属间化合物有更广阔的应用前景，含(5~10)Nb的TiA l基金属间化合物被认为具有良好的综合性能。少量多元和多量少元是目前合金化的两个趋势，即通过高合金化(如高Nb，V，C r和M n)引入少量高温相和添加少量的C，B和Re等改善组织及性能。

Chen G.L等人研究表明，当Nb含量高于5%(摩尔分数)时，强化效果十分明显。Ti与Nb的原子尺寸相差很小，仅为0.2%。用原子定位沟道增强显微分析（ALCHEMI)确定原子占位结果表明，Nb单独占据了Ti的亚点阵。Nb的加入降低了β/α相转变温度，缩小了α相区。这种相稳定性的改变使材料的组织发生明显细化，这对提高材料的屈服强度是非常重要的。高铌合金中存在大量的孪晶，被认为是Nb的加入改变了层错能的缘故。可以推测，在含Nb合金中孪晶活动的增加有益于材料在低温下的塑性变形，因为这弥补了TiAl合金在相应的应力下缺乏独立滑移体系的缺陷。B作为一种益于晶粒细化和减少凝固偏析的合金元素[3]，在锻造合金中的添加量要稍微少于在铸造合金中的添加量。W通过固溶强化，而C通过沉淀强化[4]，都可显著提高高温强度和蠕变变形抗力。据此，高铌TiAl高温合金的设计成分范围为Ti-Al45~46-Nb6~9-（W，Mn，Hf)x-(C，B)y-(Y，

RE)z。目前，合金成分化研究尚没有完善，仍需要做大量的工作。 2.2熔炼技术的最新研究动态 TiAl基金属间化合物在高温时具有高的化学活性， 其熔炼过程中存在很多困难，比如合金元素熔炼过程反应热高，对间隙元素敏感性高，合金元素含量高，合金成分容错度小，合金中各元素物性差别大，性能对组织敏感性高等。目前已有3种冶金熔炼方法被成功地应用于TiAl基金属间化合物的生产：凝壳感应熔炼(Induction SkullMelting)、真空电弧熔炼(Vacuum A rcMelting)和等离子束熔炼(PlasmaMelting)。3种熔炼方法都采用了真空及水冷坩埚技术。但这些方法熔炼TiAl基金属间化合物均有所不足，如所形成的熔池较浅，熔体温度难以维持，这对成分精确度和均匀性要求较高的TiAl基金属间化合物构成不利影响。

电磁冷坩埚悬浮熔炼技术是将分瓣的水冷铜坩埚置于交变电磁场内，利用交变电磁场产生的涡流热熔化金属，并依靠电磁力使金属熔体与坩埚壁保持软接触或者非接触状态，并对炉料进行感应熔炼或者成形的技术。该技术充分利用了电磁场和金属相互作用的热效应和力效应，具有很多优点：金属在水冷铜坩埚中悬浮或软接触，可以使金属没有污染地熔化；感应加热可以熔化高熔点的金属；电磁力的强烈搅拌使熔体组织成分均匀；适用范围广，可以熔炼不同成分的合金和材料；高温熔体对冷坩埚无实质性腐蚀，使用寿命长。

1970年英国成功地进行了感应悬浮熔炼的实验，并申请了专利；1980年美国硅铁(Duriron)公司将感应悬浮熔炼推向了工业化生产。近年来，悬浮熔炼方法倍受青睐，在美国、俄罗斯、德国、日本、法国等先进国家发展起来。日本大同特殊钢公司和法国的TARAMM公司将悬浮熔炼与真空吸铸法、真空压铸法以及离心铸造工艺相结合，生产出了铸件壁厚最小可达0.5 mm、外形轮廓非常好的铸件。日本大同特殊钢公司开发出的LEV ICAST技术，可以熔炼出高质量的TiAl基金属间化合物，并用于大规模生产。目前需要研制熔化能力更大、熔炼时间短的大型熔炼炉，进一步提高金属利用率，降低熔炼成本。

国内目前应用最多的还是电弧炉和电子束炉。钢铁研究总院在863高技术项目资助下，自行开发研制了坩埚容量为0. 6 L的冷坩埚真空感应悬浮熔炼炉[5]。哈尔滨工业大学从德国ALD公司引进的水冷铜坩埚真空感应熔炼炉[6]，具有20世纪90年代世界先进水平。利用该熔化炉熔炼TiAl基金属间化合物时，熔体温度易于控制，合金成分均匀、准确，间隙元素含量低(<3.0×10-2)。但该技术在熔

炼TiAl基金属间化合物方面还有许多问题需要解决：如真空熔炼TiAl基金属间化合物时合金元素的挥发行为；熔炼(T i+A1)混合炉料时凝壳形成过程及对合金成分的影响；研究熔炼过程中熔炼功率、炉料量、熔体温度及凝壳尺寸之间的关系；研究不同条件下熔炼过程及工艺参数优化等。

3 T Ai l基金属间化合物的熔模铸造技术介绍 3.1 T iA l基金属间化合物铸件项目 美国在TiAl基金属间化合物上的研究和应用一直处于世界领先地位[7]。从20世纪90年代后期开始，许多以在飞机发动机上实际应用TiAl基金属间化合物为目的的政府和企业的项目纷纷上马。一大批满足发动机质量要求的静止部件和动部件被设计、制造出来。在这一过程中，美国通用电气公司(GE)设计的Ti-48A l-2Cr-2Nb(x/%)，简称Ti-4822，因其在生产中相对易控制化学成分、易成型、易焊接等特点而脱颖而出。再诸如美国精密铸件公司(PCC Structurals，Inc)等专业从事精密铸造的单位的帮助下，经过20余年的努力，目前终于形成了经济地，大规模生产航空用TiAl基金属间化合物部件的精密铸造能力。与此同时，在美国宇航局(NASA)的协助下，和铸造工艺几乎具有同等重要意义的TiAl基金属间化合物焊接工艺也在本世纪初开发完成，并被应用到大规模生产上。

这些由精密铸造生产出的Ti-4822，其室温的机械性能完全满足设计要求：平均屈服强度为358 MPa，平均极限抗拉强度为468MPa，平均延伸率为2.2%。和美国HSCT相对应，日本政府也于2000年启动了自己的民用超音速飞机计划(Environmentally Compatible Propulsion System for the Next Generation SuperSon ic Transport Research Program ESPR)。这是日本政府已实施了10年的HYPR计划的继续，旨在开发出高速民用客机推进系统所需的材料和技术。GE和PCC共同为其提供了Ti-4822的环形侧板支持件。

国际上主要的发动机制造商如GE、PWA、R-R等对TiAl基合金铸件进行了广泛的研究，这些铸件主要由PCC及Howmet提供。美国Howmnet公司研究的TiAl合金增压涡轮及进、排气阀已在一定范围商业化。PCC精铸出大型TiAl基合金发动机扩压器，铸件外径61cm，宽6.25 cm，厚5 cm，外围有16个脊，只有两处需要焊接修复，并已成功进行了650℃实验。

除此之外，10余年来，美国空军，海军以及欧洲的一些航空发动机公司在TiA l基金属间化合物的开发上也投入了相当多的人力、物力。但是在很长的一段时期里，不管是超音速飞机的发动机也好，或其他现役、新机发动机上的部件也好，由于商业和技术方面的各式各样的原因，都没有使T iAl基金属间化合物真正大规模地进入到航空部件的生产上去。世界上大多数和TiAl基金属间化合物有关的工作都局限于一两个部件的示范性研发。这个局面一直延续到2006年GE，PCC和HII共同成功地完成了，为波音787飞机配套的，GEnX发动机低压涡轮第6和第7级T i-4822叶片的生产。这个采用精密铸造和机加工工艺生产的叶片，使大规模生产TiAl基金属间化合物部件成为现实。组装好的第6、第7级低压涡轮叶片参加了2006年4月GEnX发动机的第一次地面试车；并在2007年2月成功地参与完成了第一次飞行试验。

近年来，在汽车发动机部件中，研究最集中的是增压涡轮和排气阀，国外车用发动机部件应用轻质TiAl基合金的研究已取得成功。德国材料研究所Wagner用熔模精密铸造方法制成TiAl基合金发动机叶片，在汽轮机工作条件下(700℃，1600 r/min)成功进行了旋转实验。日本川崎重工株式会社和大同特殊钢公司宣布，用熔模精密铸造方法生产的TiAl基合金叶轮比耐热合金叶轮达到110 000 r/min的时间缩短约16%，达到170000 r/min所需的时间缩短26%，提高了最大转速，充分体现了TiAl基合金的比性能优势。日本京都大学新开发Ti-47A1-Fe-B合金车用整体精铸发动机[8]，外径80 mm的增压涡轮，来替代铸造镍基高温合金，可使涡轮转子减重50%以上，使TiAl金属间化合物涡轮增压的发动机节省启动时间，加速响应时间显著减少，排气阀耐久力测试结果表明稳定性良好。日本另一种用于精铸涡轮的TiAl基合金名义成分为Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si，采用反压铸造法新技术铸造的TiAl金属间化合物增压涡轮已应用于三菱等跑车。TiAl涡轮增压器应用最成功的是在日本，1998装备了1000台左右Lancer汽车，到2003年的时候已经增加到20000台，这些涡轮增压器的成分为Ti-46Al-6.5Nb和一些微量元素。